參數化變型設計中工程圖調整技術優化研究

黃啟良， 王宗彥， 吳淑芳， 秦慧斌

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參數化變型設計中工程圖調整技術優化研究

黃啟良， 王宗彥， 吳淑芳， 秦慧斌

（中北大學CAD/CAM工程技術研究中心，山西太原 030051）

針對工程圖調整技術所存在的方法不完善，耗時長，過程繁雜等不足，對其進行了優化。分析了常用視圖比例調整方法的優缺點，完善了其調整過程。研究了模型邊線的伸縮規律，提出了尺寸直角的概念，并通過繪制基于尺寸直角的裝配布局草圖，簡化了視圖位置調整過程。提出了標注約束元的概念，論述了其對尺寸、注釋位置變化的影響，并通過采用基于標注約束元的標注方法，簡化了尺寸、注釋調整過程。

工程圖學；工程圖優化；參數化變型設計；尺寸直角

工程圖是參數化變型設計的最終輸出，是產品生產加工的重要參考。但是，三維模型驅動后自動生成的工程圖，存在視圖比例不合理，布局較差，尺寸標注不整潔，注釋錯位等缺點（如圖1、圖2所示），因此需要對其進行調整。目前，國內外學者對工程圖調整技術進行了大量研究，并取得了不少成果。文獻[1]依據計算機圖形和基于知識的專家系統，通過模仿有經驗的設計師的思維模式，研究了一種由機械產品三維裝配體模型自動生成裝配體工程圖的智能方法。文獻[2]研究了三維模型驅動后工程圖視圖布局、比例、尺寸、焊接符號、零件序號的調整方法，以及部件圖明細表的自動生成與調整方法。文獻[3]提供了一種通過改變SolidWorks軟件的各種常用設置，創建符合國家標準的工程圖模板的方法。但當前工程圖調整技術仍存在以下不足：

（1）視圖比例可能出現漏調、誤調現象；

（2）需要調整每一個視圖的位置，耗時長；

（3）不能調整視圖內部尺寸；

（4）需要調整工程圖中所有的注釋，過程繁雜，易出錯。

針對以上不足，本文提出了完善的視圖比例調整方法、基于尺寸直角的裝配布局草圖繪制方法和基于標注約束元的標注方法，優化了工程圖調整過程，提高了工程圖調整效率。

圖1 工程圖模板

圖2 模型驅動后自動生成的工程圖

1 基本原理

參數化變型設計是指在保持產品基本功能、原理和總體結構不變的情況下，根據需求的變化，對產品局部結構、尺寸和約束關系進行調整或變更，以形成新的產品。它不僅包括傳統參數化所包括的對部分特征尺寸的修改，而且包括對工程視圖的布局、比例、注釋、公差、BOM表等相關部分的更新。因此，工程圖調整是參數化變型設計的一部分。

在工程圖調整過程中，視圖比例和視圖位置調整占據了其絕大部分時間，對以上兩者進行改進能極大地提高工程圖調整效率；而尺寸、注釋調整過程非常繁雜，對其進行改進可以簡化工程圖調整過程。當前常用的兩種視圖比例調整方法各有優劣，合理的使用這兩種方法既可以避免漏調、誤調現象的出現，又可以提高視圖比例調整的效率。在參數化變型設計中，采用恰當的方法建立零部件模型和工程圖模板可以簡化工程圖調整過程。在該思想的指導下，本文研究了基于尺寸直角的裝配布局草圖繪制方法和基于標注約束元的標注方法，并以此簡化了視圖位置和尺寸注釋的調整過程。

2 優化工程圖調整過程的關鍵技術

2.1 視圖比例調整過程的優化

當前，常用的視圖比例調整方法主要有兩種，下面分別予以介紹。

方法1 調整圖紙比例。遍歷所有視圖，計算出由所有視圖組成的圖紙區域的寬和高，然后將其與圖幅大小進行比較，并以此為依據對圖紙比例進行調整。計算公式為

（2）

式中、分別為圖紙區域的寬、高；maxWDim、maxHDim分別為每個視圖在寬度、高度方向的最大尺寸；VScale為視圖比例；WSpace、HSpace分別為視圖之間或視圖與圖框之間在寬度、高度方向的空白區域大小；、分別為工程圖寬度、高度方向視圖的數量；、分別為工程圖寬度、高度方向空白區域的個數。

方法2 調整視圖比例。在工程圖調整之前，記錄模板中每個視圖的大小，并將其存放在部件的DAT文件中。在視圖比例調整時，將模型驅動后的視圖大小和DAT文件中記錄的相應數據相比較，并以此為依據進行視圖比例調整。

方法1具有速度快，耗時短的優點，但它只能調整使用圖紙比例的視圖，不能調整使用自定義比例的視圖（如局部視圖，剖面視圖等）。方法2需要對每一個視圖進行比例調整，速度慢，耗時長，且當它遇到下例所示情況時會出錯。

例：圖1中前視圖、右視圖、俯視圖均使用圖紙比例，比例為1:10，模型驅動后參數、減小一半，不變。此時，如果使用方法2進行視圖比例調整，調整后前視圖、右視圖的比例保持不變，而俯視圖的比例變為1:5，這顯然不符合圖紙要求。

為了又快又好的調整視圖比例，應該先采用方法1對使用圖紙比例的視圖進行調整，再采用方法2對使用自定義比例的視圖進行調整，并且對于外輪廓尺寸變化不大的工程圖（變化范圍在0.8~1.2倍之間），可以不進行視圖比例調整。這樣既可以提高視圖比例調整的速度，又可以避免漏調、誤調現象的出現。主要程序如下：

Set Sheet = swview.Sheet

ret = Sheet.SetScale(1, vScale(1), ScaleAnno- Position, ScaleAnnoTextHeight) '設置圖紙比例

……

If swview.UseParentScale = True Or swview. UseSheetScale = True Then

Exit Sub

Else '如果該視圖使用的是自定義比例

swview.ScaleRatio = vScale '設置視圖比例

End If

2.2 視圖位置調整過程的優化

當前常用的視圖位置調整方法為先將模板中每個視圖的中心位置記錄在部件的DAT文件中，模型驅動完成后對視圖位置進行調整時，使視圖的新中心位置與DAT文件中所記錄的原中心位置相重合。此法能有效地改善視圖布局，但耗時長，調整效率低。筆者在參數化變型設計過程中發現采用基于尺寸直角的裝配布局草圖繪制方法和兩側對稱拉伸的建模方式，可以簡化甚至省去視圖位置調整過程，下面對其進行介紹。

2.2.1 模型邊線的伸縮規律

模型驅動后，工程圖視圖原點位置的改變是由模型邊線的伸縮引起的。由于模型是通過裝配布局草圖驅動的，所以模型邊線的伸縮首先取決于裝配布局草圖中幾何要素（點、線、基準面）的伸縮情況，然后取決于零件的建模方式，而前者又取決于它的繪制方法，如約束添加方法等。

2.2.2 尺寸直角的定義和作用

尺寸直角是指裝配布局草圖中決定工程圖視圖原點位置的驅動尺寸的集合。由于這些尺寸構成一個直角，所以叫尺寸直角。尺寸直角是為了簡化甚至省去工程圖視圖位置調整過程而提出的，它是裝配布局草圖正確繪制的依據。圖1中前視圖當前常用的裝配布局草圖如圖3(a)所示，其中決定工程圖視圖原點位置的尺寸有3個，尺寸值分別為12、250、289。圖3(b)為圖3(a)的尺寸直角。

2.2.3 基于尺寸直角的裝配布局草圖繪制方法

要想使視圖原點位置在模型邊線伸縮過程中保持不變，在繪制裝配布局草圖時必須遵循以下步驟和原則：

（1）分析圖紙，確定模型的驅動尺寸和裝配布局草圖的形狀；

（2）確定裝配布局草圖的尺寸直角；

（3）繪制裝配布局草圖，先繪制尺寸直角中各個尺寸對應的草圖線，然后找出尺寸直角的3個頂點、、對應的草圖端點，并使、和、對應的草圖端點關于草圖中心線對稱，最后繪制其它草圖元素，結果如圖3(c)所示。

如果使用圖3(a)所示的裝配布局草圖，模型驅動完成后，工程圖中模型邊線相對于視圖原點不是兩側對稱伸縮，視圖原點位置會變，所以必須對視圖位置進行調整。而當使用圖3(c)所示的裝配布局草圖時，由于決定視圖原點位置的模型邊線相對于視圖原點兩側對稱伸縮，視圖原點位置不變，所以不需要對視圖位置進行調整。

對于圖1中的右視圖，也可以采用此法來簡化其位置調整過程，而對于圖1中的俯視圖，只要該裝配體中所有零件均采用兩側對稱拉伸的建模方式就能省去其位置調整過程。

(a) 當前常用的裝配布局草圖 (b) 尺寸直角 (c) 基于尺寸直角的裝配布局草圖

2.3 尺寸與注釋調整過程的優化

模型驅動后，工程圖中模型邊線的長度和位置會發生變化，而未與模型邊線添加幾何約束關系的標注項目（尺寸、注釋、焊接符號、粗糙度符號、技術要求等）的位置不會變，所以會出現錯位現象，需要對尺寸、注釋等進行調整。

2.3.1 標注約束元的定義和作用

標注約束元是指控制標注項目位置變化的元素，有點和線兩種類型。當標注約束元為點時，標注項目完全定位；當標注約束元為線時，標注項目未完全定位，它還能在標注約束元所在的直線上滑動。所以，選擇合適的標注約束元進行標注可以簡化尺寸、注釋調整過程。

2.3.2 尺寸調整過程的優化

現有尺寸調整方法根據視圖外部尺寸的層次性，將其放置在不同的圖層，然后通過設置不同圖層之間的距離來調整尺寸的位置。此法可以快速、整齊地調整視圖外部尺寸的位置，但是由于視圖內部尺寸分布散亂，不具有層次性，所以它不能調整視圖內部尺寸。筆者發現采用基于標注約束元的標注方法可以保證模型驅動后視圖內部尺寸相對于模型邊線的位置不變，因而不需要對其進行調整，下面進行介紹。

（1）直線尺寸的四種標注方法及其性質

如圖4所示，有1、2、3、4四條直線，有、、、四個頂點，現要標注直線1的尺寸，有以下四種方法：一線法（選中直線1進行標注）、兩點法（選中頂點、進行標注）、一點一線法（選中頂點、直線2或頂點、直線4進行標注）、兩線法（選中直線2和4進行標注）。采用以上四種方法標注的尺寸的性質如表1所示。由表1可知，一線法和兩點法本質相同，兩線法一般不應采用。

圖4 直線尺寸標注的四種方法

（2）采用不同方法標注的尺寸在工程圖中的變化情況

表1 采用不同方法標注的尺寸的性質

由表1可知，模型驅動后采用不同方法標注的尺寸在工程圖中的變化情況也不同，如圖5所示。圖5中，零件草圖(a)除去頂部草圖線外，其他草圖線均已添加了水平或豎直幾何關系，(d)~(h)為模型驅動后（零件草圖中兩條豎線的長度分別變為30和50）采用不同方法標注的尺寸在工程圖中的變化情況。由(f)、(g)可知，一點一線法有兩種形式，其中只有(g)所示的標注才是正確的，即一點一線法中的點應是位置高的點，線應短線。

綜上所述，當尺寸方向始終與直線平行時，應采用一線法或兩點法標注；當尺寸方向始終保持水平或豎直時，應采用一點一線法標注。這樣標注的視圖內部尺寸在模型驅動后不會出現錯位現象，不需要調整。

(a) 零件草圖 (b) 零件模型 (c) 前視圖 (d) 一線法

(e) 兩點法 (f) 一點一線法 (g) 一點一線法 (h) 兩線法

圖5 采用不同方法標注的尺寸在工程圖中的變化情況

2.3.3 注釋調整過程的優化

這里所說的是廣義的注釋，它包括注釋、焊接符號、粗糙度符號、零件序號、技術要求等。當前常用的注釋調整方法為先記錄工程圖模板中每個注釋的位置信息和所在視圖的相關信息，并將其存放在部件的DAT文件中，模型驅動完成后對注釋位置進行調整時，根據DAT文件中的相關信息計算出注釋的相對位置，最后將注釋放置在相應的位置上。此法能夠快速、有效地調整注釋的位置，但是調整過程過于繁雜，且容易出錯。筆者發現只要在注釋和模型邊線之間添加約束幾何關系，使其完全定位，就可以確保模型驅動后其相對于模型邊線的位置不變，因而可以簡化甚至省去注釋調整過程。

（1）注釋的完全定位

這里指的是狹義上的注釋，它有兩種類型，帶箭頭的注釋和不帶箭頭的注釋。對于帶箭頭的注釋，可以通過以下過程使其完全定位：首先，新增一個圖層，并在其上繪制一個完全約束的草圖點，該點位于要添加的注釋附近；然后，在相應的圖層上插入一個注釋（有引線和箭頭），并使其指向草圖點；最后，將草圖點所在的圖層設為不可見。此時，注釋的標注約束元為箭頭所指向的點，注釋完全定位。

對于不帶箭頭的注釋，應先采用以上步驟進行標注，然后將注釋的箭頭類型設為直線，并將引線長度縮短，使其接近為零，如圖6所示。此時，雖然箭頭和引線均不可見，但是注釋和草圖點之間的約束關系仍然存在，注釋完全定位。

（2）焊接符號、粗糙度符號的完全定位

當焊接符號、粗糙度符號指向模型邊線時，其標注約束元為箭頭指向的模型邊線。此時，它們都附著在模型邊線上，因而不需要進行調整。

(a) 帶箭頭注釋的完全定位 (b) 將箭頭類型設為直線 (c) 縮短引線 (d) 隱藏草圖點所在的圖層

3 結 論

本文以SolidWorks為建模、出圖工具，以VB為開發平臺，對現有工程圖調整技術進行了優化，其中包括完善視圖比例調整過程，加速視圖位置調整過程，簡化尺寸、注釋調整過程等。該技術已成功應用于某橋式起重機參數化變型設計中，它極大地提高了工程圖調整效率。特別是對于大型裝配體工程圖，效率較現有工程圖調整技術提高了50%以上。盡管本文做了不少工作，但是還有以下幾個問題尚未解決：

（1）由尺寸直角的定義和形狀可知，對于某些外輪廓不規則（如含有圓弧、不規則曲線等）的零部件不能采用本文所介紹的方法來簡化其視圖位置調整過程。如圖7所示，當圓弧半徑較小時，它對視圖原點位置的影響也較小，在確定尺寸直角時可以將其忽略。此時如果采用本文所介紹的方法，模型驅動后工程圖中視圖原點的位置變化不大，不需要進行視圖位置調整。但是，當圓弧半徑較大時，本文所介紹的方法就不適用了，此時應采用文獻[2]中所介紹的方法對其進行視圖位置調整。

圖7 含有圓弧的裝配布局草圖及其尺寸直角

（2）盡管采用基于標注約束元的標注方法可以保證尺寸、注釋相對于模型邊線的位置不變，但是模型驅動后不同模型邊線之間的相對位置會發生變化，這可能會破壞視圖外部尺寸、零件序號的對齊關系，所以仍需使用程序對以上兩者進行調整。

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Research on the Optimization of Engineering Drawings’ Adjusting Technology in Parametric Variant Design

HUANG Qi-liang, WANG Zong-yan, WU Shu-fang, QIN Hui-bin

( Engineering Technology Research Center of CAD/CAM, North University of China, Taiyuan Shanxi 030051, China )

Aiming at the existing deficiency of engineering drawings’ adjusting technology, such as the imperfectness of methods, the long consumption of time, the complexity of process, etc, an optimization for them is implemented. The benefits and shortcomings of commonly used view scale adjusting method are analyzed and its adjusting process is optimized. By studying the stretch law of model edges, presenting the concept of dimension angle and drawing the assembly layout sketch based on it, the adjustment of view position is simplified. Through putting forward the concept of annotation binding element, discussing the effect it has on the position of dimensions and annotations, and adopting the marking method based on it, the adjustment of dimensions and annotations is simplified.

engineering graphics; optimization of engineering drawings; parametric variant design; dimension angle

TP 391.72

A

1003-0158(2011)01-0168-06

2009-12-19

山西省科學技術發展計劃資助項目（20090321024）

黃啟良（1985-），男，湖南洞口人，在讀碩士研究生，主要研究方向為CAD/CAM/CAPP一體化。